缩小手术机器人的尺寸

腹腔镜微创手术在小切口中插入工具和微型摄像机进行手术，这使得过去半个世纪以来手术过程对于患者和医生来说都更加安全。近年来，外科手术机器人开始更多地出现在手术室中，进一步为外科医生提供帮助，它们让外科医生一次能操纵多个工具，相比传统技术而言能获得更大的精度、灵活性和控制力。但是，这些机器人系统非常庞大，通常会占用整个房间，它们的工具可能比其操作的脆弱组织和结构大得多。

哈佛大学维斯研究所（WyssInstituteatHarvardUniversity）的RobertWood博士和索尼公司的机器人工程师铃木弘之（HiroyukiSuzuki）受折纸启发，合作创建了一种手术操作机械手的新的微型远心机构（“mini-RCM”），使外科手术机器人技术得以在微观层面得到应用。正如最近一期的Nature子刊MachineIntelligence所述，该机器人只有网球大小，重量与一便士相当，并且成功完成了一项极为困难的模拟外科手术。

微型机器人 mini-RCM 由三个线性致动器（mini-LA）控制 （图片版权：哈佛大学维斯研究所）

“过去几年中，Wood实验室在微型机器人方面的独特技术带来了许多令人印象深刻的发明，我坚信它也能在医疗手术机器人领域取得突破，”Suzuki说，他于2018年开始与Wood合作开发mini-RCM，“这个项目取得了巨大的成功。”

微型机器人挑战微细任务

为了创建微型手术机器人，Suzuki和Wood利用了Wood实验室开发的弹出式微机电系统（Pop-UpMEMS）制造技术。该技术将材料层互相叠在一起并粘合，然后按特定的图案进行激光切割，最终可以“弹出”所需的三维形状。这项技术大大简化了小而复杂的结构的批量生产，否则这些结构必须通过手工精心制作。

该团队为外科手术机器人创建的主要结构是平行四边形的形状，然后制造了三个线性致动器（miniLAs）来控制机器人的运动：一个平行于平行四边形底面来升降它，一个垂直于平行四边形底面来旋转它，还有一个位于平行四边形的尖端用来伸长或缩回使用的工具。最终的结果是，该机器人比科研界以往开发的其他显微外科手术设备更小、更轻。

mini-LAs本身就是一项微观奇迹，它们由压电陶瓷材料构建。当施加电场时，压电陶瓷材料会改变形状。形状的变化将推动mini-LA的“运行单元”像火车上的火车一样沿着其“轨道单元”运动，并且利用这种线性运动来移动机器人。由于压电材料在改变形状时本身会有一定的变形，因此该团队还将基于LED的光学传感器集成到mini-LA中，以检测和纠正所需运动的任何偏差，例如手部震动引起的偏差。

比外科医生的手更稳定

为了模拟遥操作手术的情况，研究小组将mini-RCM连接到PhantomOmni设备，该设备对用户控制笔形工具的手部动作进行响应，以操纵miniRCM。他们的第一项测试评估了人类通过显微镜观察并手动追踪或使用mini-RCM追踪比圆珠笔尖还小的方形的能力。在这项测试中，通过miniRCM能极大地提高用户的准确性，与手动操作相比可以减少68％的错误。考虑到修复人体细小结构所需的精度，这一点特别重要。

mini-RCM在追踪测试中获得成功后，研究人员随后创建了一个视网膜静脉插管手术的模拟版本。在该模拟手术中，外科医生必须小心地将针头穿过眼睛，以将治疗药剂注入到眼球后方的细小静脉中。他们制造了一个与视网膜静脉大小相同的硅胶管（大约是人类发丝直径的两倍），并成功地用连接在mini-RCM末端的针刺穿了硅胶管，同时没有造成局部损伤或破坏。

除了可以执行精细的手术操作外，mini-RCM的小巧体积还具有另一个重要优势：易于安装和设置，并且在发生并发症或停电时，也可以很容易地手动从病人的身体中取出。

“在许多需要小型而精密机器的领域中，这种弹出式MEMS的方法被证明拥有巨大价值。我们非常高兴地看到，它在提高手术的安全性和效率方面也极具潜力，这让手术变得更加安全。”Wood说。他也是哈佛大学约翰•保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的工程和应用科学方面的CharlesRiver教授。

这些研究人员现在的目标是增加手术机器人的致动器的力，以覆盖操作过程中可能遇到的最大力，并提高其定位精度。他们还在研究在加工过程中使用较短脉冲的激光，以提高mini-LA的传感分辨率。

“Wood实验室与索尼之间的这种独特合作，充分证明了将现实世界各行各业关注的重点与学术创新精神相结合所能带来的好处，我们期待这项工作在不久的将来对外科手术机器人产生有利影响。”维斯研究所的创始负责人DonIngber博士说。他也是HMS血管生物学和波士顿儿童医院的血管生物学项目的JudahFolkman教授，以及SEAS的生物工程教授。

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弹出式MEMS：折纸启发的微制造

弹出式MEMS是一种快速大规模制造用于工业和医疗应用的微型机器人和机电设备的技术。

近几十年来，我们在微米尺度的微机电系统（MEMS）制造中取得了飞速发展。这是一种主要基于硅晶片加工技术，其特征长度为毫米至纳米范围。但是，标准MEMS技术通常不适合生产中等尺寸的、具有复杂3D拓扑和由各种材料组成的机械，且其尺寸介于MEMS的微米级和可以用传统方法制造的较大设备的厘米级之间。

在这些挑战的激发下，同时也受到层压印刷电路板制造的启发，哈佛大学维斯研究所的研究人员开发了一种可以批量加工的弹出式（“Pop-Up”）MEMS工艺，用于制造尺寸达几厘米的中等尺寸的机械。

图片版权：哈佛大学维斯研究所

“我们的这种新技术使我们可以使用任何材料，包括聚合物、金属、陶瓷和复合材料，这意味着在集成到电子设备后，我们可以生成任何三维形状的完整系统。”RobertWood博士表示。

将各种激光切割的材料制成的薄片分层并夹在一块薄薄的平板中，该平板可以在完整的机电结构中“弹出”，这取代了过去费力、缓慢且手动的制造过程。这种弹出式MEMS方法创建了复杂的立体式结构，并且效率很高，与传统的MEMS技术或“螺母和螺栓”手动组装相比，可以节省构造多个微结构的时间。此外，这种“弹出式”MEMS机械可以在真正的3D拓扑结构中结合微米级的机械功能、压电致动器、集成电路，并应用多种材料。

这种弹出式MEMS技术适合于制造用于机器人研究与设计以及电子和医疗应用的中等尺寸架构。它可以批量生产智能微创外科手术工具、新型可植入医疗器械、专用光学系统以及各种机电设备，包括微米级到厘米级的复杂微型机器人，如维斯研究所的RoboBees。

作者：LindsayBrownell

哈佛大学维斯研究所